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<title>5_IOModels</title><link href='https://fonts.loli.net/css?family=Open+Sans:400italic,700italic,700,400&subset=latin,latin-ext' rel='stylesheet' type='text/css' /><style type='text/css'>html {overflow-x: initial !important;}:root { --bg-color:#ffffff; --text-color:#333333; --select-text-bg-color:#B5D6FC; --select-text-font-color:auto; --monospace:"Lucida Console",Consolas,"Courier",monospace; --title-bar-height:20px; }
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figure > table { margin: 0px; }
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thead { display: table-header-group; }
table { border-collapse: collapse; border-spacing: 0px; width: 100%; overflow: auto; break-inside: auto; text-align: left; }
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p > .md-image:only-child:not(.md-img-error) img, p > img:only-child { display: block; margin: auto; }
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p > .md-image:only-child { display: inline-block; width: 100%; }
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.md-task-list-item > input { position: absolute; top: 0px; left: 0px; margin-left: -1.2em; margin-top: calc(1em - 10px); border: none; }
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.footnote-line a:not(.reversefootnote) { color: inherit; }
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code, pre, samp, tt { font-family: var(--monospace); }
kbd { margin: 0px 0.1em; padding: 0.1em 0.6em; font-size: 0.8em; color: rgb(36, 39, 41); background: rgb(255, 255, 255); border: 1px solid rgb(173, 179, 185); border-radius: 3px; box-shadow: rgba(12, 13, 14, 0.2) 0px 1px 0px, rgb(255, 255, 255) 0px 0px 0px 2px inset; white-space: nowrap; vertical-align: middle; }
.md-comment { color: rgb(162, 127, 3); opacity: 0.8; font-family: var(--monospace); }
code { text-align: left; vertical-align: initial; }
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[lang="mermaid"] .node text { font-size: 1rem; }
table tr th { border-bottom: 0px; }
video { max-width: 100%; display: block; margin: 0px auto; }
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.highlight td, .highlight tr { border: 0px; }
mark { background: rgb(255, 255, 0); color: rgb(0, 0, 0); }
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mark .md-meta { color: rgb(0, 0, 0); opacity: 0.3 !important; }
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  .typora-export h1, .typora-export h2, .typora-export h3, .typora-export h4, .typora-export h5, .typora-export h6 { break-inside: avoid; }
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body {
    font-family: "Open Sans","Clear Sans", "Helvetica Neue", Helvetica, Arial, sans-serif;
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    line-height: 1.6;
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#write {
    max-width: 860px;
  	margin: 0 auto;
  	padding: 30px;
    padding-bottom: 100px;
}

@media only screen and (min-width: 1400px) {
	#write {
		max-width: 1024px;
	}
}

@media only screen and (min-width: 1800px) {
	#write {
		max-width: 1200px;
	}
}

#write > ul:first-child,
#write > ol:first-child{
    margin-top: 30px;
}

a {
    color: #4183C4;
}
h1,
h2,
h3,
h4,
h5,
h6 {
    position: relative;
    margin-top: 1rem;
    margin-bottom: 1rem;
    font-weight: bold;
    line-height: 1.4;
    cursor: text;
}
h1:hover a.anchor,
h2:hover a.anchor,
h3:hover a.anchor,
h4:hover a.anchor,
h5:hover a.anchor,
h6:hover a.anchor {
    text-decoration: none;
}
h1 tt,
h1 code {
    font-size: inherit;
}
h2 tt,
h2 code {
    font-size: inherit;
}
h3 tt,
h3 code {
    font-size: inherit;
}
h4 tt,
h4 code {
    font-size: inherit;
}
h5 tt,
h5 code {
    font-size: inherit;
}
h6 tt,
h6 code {
    font-size: inherit;
}
h1 {
    font-size: 2.25em;
    line-height: 1.2;
    border-bottom: 1px solid #eee;
}
h2 {
    font-size: 1.75em;
    line-height: 1.225;
    border-bottom: 1px solid #eee;
}

/*@media print {
    .typora-export h1,
    .typora-export h2 {
        border-bottom: none;
        padding-bottom: initial;
    }

    .typora-export h1::after,
    .typora-export h2::after {
        content: "";
        display: block;
        height: 100px;
        margin-top: -96px;
        border-top: 1px solid #eee;
    }
}*/

h3 {
    font-size: 1.5em;
    line-height: 1.43;
}
h4 {
    font-size: 1.25em;
}
h5 {
    font-size: 1em;
}
h6 {
   font-size: 1em;
    color: #777;
}
p,
blockquote,
ul,
ol,
dl,
table{
    margin: 0.8em 0;
}
li>ol,
li>ul {
    margin: 0 0;
}
hr {
    height: 2px;
    padding: 0;
    margin: 16px 0;
    background-color: #e7e7e7;
    border: 0 none;
    overflow: hidden;
    box-sizing: content-box;
}

li p.first {
    display: inline-block;
}
ul,
ol {
    padding-left: 30px;
}
ul:first-child,
ol:first-child {
    margin-top: 0;
}
ul:last-child,
ol:last-child {
    margin-bottom: 0;
}
blockquote {
    border-left: 4px solid #dfe2e5;
    padding: 0 15px;
    color: #777777;
}
blockquote blockquote {
    padding-right: 0;
}
table {
    padding: 0;
    word-break: initial;
}
table tr {
    border-top: 1px solid #dfe2e5;
    margin: 0;
    padding: 0;
}
table tr:nth-child(2n),
thead {
    background-color: #f8f8f8;
}
table th {
    font-weight: bold;
    border: 1px solid #dfe2e5;
    border-bottom: 0;
    margin: 0;
    padding: 6px 13px;
}
table td {
    border: 1px solid #dfe2e5;
    margin: 0;
    padding: 6px 13px;
}
table th:first-child,
table td:first-child {
    margin-top: 0;
}
table th:last-child,
table td:last-child {
    margin-bottom: 0;
}

.CodeMirror-lines {
    padding-left: 4px;
}

.code-tooltip {
    box-shadow: 0 1px 1px 0 rgba(0,28,36,.3);
    border-top: 1px solid #eef2f2;
}

.md-fences,
code,
tt {
    border: 1px solid #e7eaed;
    background-color: #f8f8f8;
    border-radius: 3px;
    padding: 0;
    padding: 2px 4px 0px 4px;
    font-size: 0.9em;
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code {
    background-color: #f3f4f4;
    padding: 0 2px 0 2px;
}

.md-fences {
    margin-bottom: 15px;
    margin-top: 15px;
    padding-top: 8px;
    padding-bottom: 6px;
}


.md-task-list-item > input {
  margin-left: -1.3em;
}

@media print {
    html {
        font-size: 13px;
    }
    table,
    pre {
        page-break-inside: avoid;
    }
    pre {
        word-wrap: break-word;
    }
}

.md-fences {
	background-color: #f8f8f8;
}
#write pre.md-meta-block {
	padding: 1rem;
    font-size: 85%;
    line-height: 1.45;
    background-color: #f7f7f7;
    border: 0;
    border-radius: 3px;
    color: #777777;
    margin-top: 0 !important;
}

.mathjax-block>.code-tooltip {
	bottom: .375rem;
}

.md-mathjax-midline {
    background: #fafafa;
}

#write>h3.md-focus:before{
	left: -1.5625rem;
	top: .375rem;
}
#write>h4.md-focus:before{
	left: -1.5625rem;
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	left: -1.5625rem;
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	left: -1.5625rem;
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}
.md-image>.md-meta {
    /*border: 1px solid #ddd;*/
    border-radius: 3px;
    padding: 2px 0px 0px 4px;
    font-size: 0.9em;
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    color: #a7a7a7;
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    margin-top:20px;
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.sidebar-tabs {
    border-bottom: none;
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#typora-quick-open {
    border: 1px solid #ddd;
    background-color: #f8f8f8;
}

#typora-quick-open-item {
    background-color: #FAFAFA;
    border-color: #FEFEFE #e5e5e5 #e5e5e5 #eee;
    border-style: solid;
    border-width: 1px;
}

/** focus mode */
.on-focus-mode blockquote {
    border-left-color: rgba(85, 85, 85, 0.12);
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header, .context-menu, .megamenu-content, footer{
    font-family: "Segoe UI", "Arial", sans-serif;
}

.file-node-content:hover .file-node-icon,
.file-node-content:hover .file-node-open-state{
    visibility: visible;
}

.mac-seamless-mode #typora-sidebar {
    background-color: #fafafa;
    background-color: var(--side-bar-bg-color);
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    color: #b4654d;
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    --item-hover-bg-color: #E6F0FE;
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#md-notification .btn {
    border: 0;
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    border-color: #e5e5e5;
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.ty-preferences .nav-group-item.active {
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<body class='typora-export os-windows'>
<div id='write'  class=''><p><font face="Consolas"></p><div class='md-toc' mdtype='toc'><p class="md-toc-content" role="list"><span role="listitem" class="md-toc-item md-toc-h2" data-ref="n5"><a class="md-toc-inner" href="#文件系统的io操作">文件系统的IO操作</a></span><span role="listitem" class="md-toc-item md-toc-h2" data-ref="n35"><a class="md-toc-inner" href="#一阻塞iobio">一、阻塞I/O(BIO)</a></span><span role="listitem" class="md-toc-item md-toc-h2" data-ref="n49"><a class="md-toc-inner" href="#二非阻塞ionio">二、非阻塞I/O(NIO)</a></span><span role="listitem" class="md-toc-item md-toc-h2" data-ref="n64"><a class="md-toc-inner" href="#三信号驱动io">三、信号驱动I/O</a></span><span role="listitem" class="md-toc-item md-toc-h2" data-ref="n78"><a class="md-toc-inner" href="#四异步io">四、异步IO  </a></span><span role="listitem" class="md-toc-item md-toc-h2" data-ref="n97"><a class="md-toc-inner" href="#五io多路复用">五、I/O多路复用</a></span></p></div><hr /><h2><a name="文件系统的io操作" class="md-header-anchor"></a><span>文件系统的IO操作</span></h2><p><img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/3373356/202403/3373356-20240305114030586-425403309.png" referrerpolicy="no-referrer"></p><p><span>在Linux中，以及大多数现代操作系统中，文件系统的IO操作通常是通过</span><strong><span>缓存IO</span></strong><span>来完成的。这种设计主要是为了提高IO性能，减少直接对磁盘的访问次数，并通过</span><strong><span>页缓存（page cache）</span></strong><span>来缓存热点数据，从而提高数据的访问速度。</span></p><p><span>详细讨论一下这两个阶段：</span></p><ol start='' ><li><p><strong><span>数据准备阶段</span></strong><span>：</span></p><ul><li><span>当应用程序发起一个读或写请求时，该请求首先被送到</span><strong><span>操作系统内核</span></strong><span>。</span></li><li><span>内核查看</span><strong><span>页缓存</span></strong><span>，看看所需的数据是否已经在缓存中。如果是读操作并且数据已经在缓存中，那么内核可以直接从缓存中读取数据，而不必访问磁盘。这称为</span><strong><span>“缓存命中”</span></strong><span>。</span></li><li><span>如果数据不在缓存中</span><strong><span>（缓存未命中）</span></strong><span>，那么内核会向</span><strong><span>磁盘控制器</span></strong><span>发送一个请求来获取数据。</span></li><li><span>一旦磁盘控制器读取了数据，这些数据会被放入</span><strong><span>页缓存</span></strong><span>中，然后内核会将这些数据传递给应用程序。</span></li></ul></li><li><p><strong><span>内核空间复制回用户进程缓冲区阶段</span></strong><span>：</span></p><ul><li><span>当内核从</span><strong><span>页缓存</span></strong><span>中获取数据后，这些数据首先被放置在</span><strong><span>内核空间的缓冲区</span></strong><span>中。</span></li><li><strong><span>由于应用程序运行在用户空间，而内核处理IO操作在内核空间，因此数据需要从一个空间复制到另一个空间。</span></strong></li><li><span>这涉及到上下文切换，即从内核模式切换到用户模式，并将数据从</span><strong><span>内核缓冲区</span></strong><span>拷贝到</span><strong><span>应用程序的缓冲区</span></strong><span>。</span></li><li><span>这一步的复制操作会增加CPU和内存的开销。</span></li></ul></li></ol><p><span>为什么磁盘控制器不能直接将数据发送到应用程序的地址空间，因为应用程序通常不能直接操作底层硬件。这是出于安全和稳定性的考虑。</span><strong><span>操作系统内核作为硬件和应用程序之间的中间层，负责管理和协调硬件资源</span></strong><span>，确保应用程序的合法和有效访问。</span></p><p><span>为了减少这种开销，现代操作系统和硬件提供了各种优化技术，如直接I/O（DIO）、写时复制（Copy-on-Write）等，以及在硬件层面上的DMA（Direct Memory Access）技术，这些技术可以减少内核和用户空间之间的数据复制，提高IO性能。</span></p><hr /><h2><a name="一阻塞iobio" class="md-header-anchor"></a><span>一、阻塞I/O(BIO)</span></h2><p><img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/3373356/202403/3373356-20240305101635579-215149437.png" referrerpolicy="no-referrer"></p><p><span>在这种模型中，当进程或线程调用一个I/O函数（如</span><code>recvfrom</code><span>）时，它会一直等待直到该操作完成或发生错误。在等待期间，进程或线程会被阻塞，即它不会执行任何其他操作，也不会消耗CPU资源，直到I/O操作完成。</span></p><p><span>阻塞式I/O模型的主要优点是实现简单，因为程序员不需要处理复杂的状态变化和异步事件。此外，对于简单的、低并发的应用程序来说，阻塞式I/O通常足够使用，因为每个请求通常很快就能得到处理。</span></p><p><span>然而，阻塞式I/O模型在处理高并发网络应用时存在明显的缺点：</span></p><ol start='' ><li><strong><span>系统开销大</span></strong><span>：由于每个I/O操作都需要阻塞一个进程或线程，当并发请求量很大时，需要大量的进程或线程来处理这些请求，这会导致系统资源（如内存和CPU）的过度消耗。</span></li><li><strong><span>响应性能问题</span></strong><span>：在高并发场景下，由于大量的进程或线程在等待I/O操作，CPU可能会花费大量的时间在进程切换上，而不是在处理实际的数据，这降低了系统的整体性能。</span></li><li><strong><span>可扩展性差</span></strong><span>：随着并发请求的增加，需要不断增加进程或线程的数量，这可能会导致系统资源耗尽，限制了系统的可扩展性。</span></li></ol><p><span>为了解决这些问题，人们开发了多种I/O模型，如I/O多路复用（如</span><code>select</code><span>、</span><code>poll</code><span>、</span><code>epoll</code><span>）、异步I/O（如Linux的</span><code>aio_read</code><span>和</span><code>aio_write</code><span>）等，这些模型旨在提高系统的并发处理能力和响应性能。这些模型通过不同的机制，允许进程或线程在等待I/O操作完成时继续执行其他任务，从而提高了系统的整体性能和可扩展性。</span></p><hr /><h2><a name="二非阻塞ionio" class="md-header-anchor"></a><span>二、非阻塞I/O(NIO)</span></h2><p><img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/3373356/202403/3373356-20240305101817093-1012162186.png" referrerpolicy="no-referrer"></p><p><span>非阻塞式I/O模型（Non-blocking I/O）允许进程发起I/O操作后继续执行其他任务，而不是等待I/O操作完成。如果I/O操作可以立即完成（例如，内核缓冲区中有数据可读），则I/O操作会立即返回数据。如果I/O操作不能立即完成（例如，内核缓冲区中没有数据可读），则调用会立即返回一个错误，通常是</span><code>EAGAIN</code><span>或</span><code>EWOULDBLOCK</code><span>，告诉进程数据尚未准备好。</span></p><p><span>非阻塞式I/O模型的特点如下：</span></p><ol start='' ><li><strong><span>非阻塞</span></strong><span>：进程不会因为I/O操作而阻塞，可以立即返回并继续执行其他任务。</span></li><li><strong><span>CPU资源消耗</span></strong><span>：由于进程需要轮询（poll）来检查I/O操作是否完成，这可能导致大量的CPU资源被消耗在轮询上，而不是在处理实际的数据上。</span></li><li><strong><span>实现难度</span></strong><span>：相比阻塞式I/O，非阻塞式I/O模型的实现要复杂得多，因为程序员需要处理部分完成的I/O操作、错误检查以及轮询的逻辑。</span></li><li><strong><span>适用场景</span></strong><span>：非阻塞式I/O模型适用于并发量较小且不需要及时响应的网络应用开发。在并发量大的场景下，由于CPU资源的消耗和轮询的开销，非阻塞式I/O可能不是最佳选择。</span></li></ol><p><span>然而，值得注意的是，尽管非阻塞式I/O模型在并发量较小的场景下表现良好，但它在处理大量并发连接时可能不是最有效的解决方案。在这种情况下，更高级的I/O模型（如I/O多路复用或异步I/O）可能更为合适。这些模型通过更有效的利用系统资源和减少CPU的轮询开销，提供了更高的并发处理能力和更好的性能。</span></p><hr /><h2><a name="三信号驱动io" class="md-header-anchor"></a><span>三、信号驱动I/O</span></h2><p><img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/3373356/202403/3373356-20240305105930776-1520748238.png" referrerpolicy="no-referrer"></p><p><span>信号驱动I/O是一种网络I/O模型，它允许进程预先告知内核，</span><strong><span>在某个描述符上发生事件时，内核应使用信号通知相关进程</span></strong><span>。这种模型与异步I/O有所不同，异步I/O通常定义为进程执行I/O系统调用告知内核启动某个I/O操作，内核启动I/O操作后立即返回到进程中，进程在I/O操作发生期间继续执行，当操作完成或遇到错误时，内核以</span><strong><span>进程在I/O系统调用中指定的某种方式</span></strong><span>通知进程。</span></p><p><span>在信号驱动I/O模型中，</span><strong><span>当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号</span></strong><span>，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。当数据报准备好读取时，</span><strong><span>内核就为该进程产生一个SIGIO信号</span></strong><span>。随后既可以在信号处理函数中调用read读取数据报，并通知主循环数据已准备好待处理，也可以立即通知主循环，让它来读取数据报。这种模型的优势在于等待数据报到达期间，进程可以继续执行，不被阻塞。</span></p><p><span>为了让</span><strong><span>套接字描述符</span></strong><span>可以工作于信号驱动I/O模式，应用进程必须完成以下三个步骤：</span></p><ol start='' ><li><strong><span>注册SIGIO信号处理程序</span></strong><span>。这可以通过sigaction系统调用完成，用于在信号发生时执行特定的函数。</span></li><li><strong><span>使用fcntl的F_SETOWN命令设置套接字所有者</span></strong><span>。这将指定接收SIGIO信号的进程或进程组。</span></li><li><strong><span>使用fcntl的F_SETFL命令，置O_ASYNC标志，允许套接字信号驱动I/O</span></strong><span>。这将使套接字进入</span><strong><span>信号驱动I/O模式</span></strong><span>，当数据准备好时，内核将向进程发送SIGIO信号。</span></li></ol><p><span>需要注意的是，在使用信号驱动I/O时，因为信号是异步的，所以需要谨慎处理并发访问和数据一致性问题。此外，由于信号的处理可能会打断进程的正常执行流程，因此需要注意信号处理函数的设计和实现，以避免对进程状态的影响。</span></p><hr /><h2><a name="四异步io" class="md-header-anchor"></a><span>四、异步IO  </span></h2><p><img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/3373356/202403/3373356-20240305105823553-38433994.png" referrerpolicy="no-referrer"></p><p><span>异步I/O（Asynchronous I/O）是一种更为先进的I/O模型，它允许进程发起一个I/O操作后，立即返回并不阻塞，同时不需要进程轮询或注册信号处理函数来检查I/O操作的状态。相反，</span><font color="red"><strong><span>当I/O操作完成后，内核会直接通知进程，并传递操作的结果</span></strong></font><span>。</span><strong><span>这种模型将I/O操作的等待和数据拷贝的工作完全交给了内核来处理</span></strong><span>，从而极大地提高了程序的并发性和响应性能。</span></p><p><span>异步I/O模型的特点包括：</span></p><ol start='' ><li><strong><span>非阻塞</span></strong><span>：进程在发起I/O操作后不会阻塞，可以继续执行其他任务，提高了并发性和响应性能。</span></li><li><strong><span>数据一步到位</span></strong><span>：当I/O操作完成时，</span><strong><span>内核会将结果直接传递给进程</span></strong><span>，无需进程再次调用读取或写入操作。这减少了不必要的系统调用和上下文切换。</span></li><li><strong><span>Proactor模式</span></strong><span>：异步I/O通常与Proactor模式一起使用，该模式将</span><strong><span>I/O操作的完成通知和结果处理逻辑分离</span></strong><span>，使得代码更加清晰和易于管理。</span></li><li><strong><span>底层支持</span></strong><span>：异步I/O需要操作系统的底层支持。在Linux中，异步I/O的支持从2.5版本内核开始引入，并在2.6版本内核中成为标准特性。因此，不是所有的操作系统都支持异步I/O。</span></li><li><strong><span>实现和开发难度大</span></strong><span>：由于异步I/O模型的复杂性和对底层系统的依赖，实现和开发异步I/O应用程序通常比传统的阻塞式或非阻塞式I/O更加困难。</span></li><li><strong><span>适合高性能高并发应用</span></strong><span>：异步I/O模型非常适合需要处理大量并发连接和高性能I/O操作的应用场景，如高性能服务器、数据库和分布式系统等。</span></li></ol><p><span>需要注意的是，尽管异步I/O模型具有许多优点，但它并不总是最佳选择。在某些场景下，如并发量较小或I/O操作较为简单时，使用其他I/O模型可能更为合适。因此，在选择使用异步I/O模型时，需要根据具体的应用需求和场景来评估其适用性和性能优势。</span></p><hr /><h2><a name="五io多路复用" class="md-header-anchor"></a><span>五、I/O多路复用</span></h2><p><img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/3373356/202403/3373356-20240305110505445-1839412463.png" referrerpolicy="no-referrer"></p><p><span>I/O复用模型是一种允许单个进程同时等待多个I/O操作完成的机制。在Linux中，常见的I/O复用技术有</span><code>select</code><span>、</span><code>poll</code><span>和</span><code>epoll</code><span>。这些技术允许程序</span><strong><span>同时监听多个文件描述符（sockets、pipes、files等）的读写状态</span></strong><span>，从而在一个单独的线程中管理多个并发连接。</span></p><p><span>I/O复用模型的主要优势在于它减少了进程或线程的数量，从而降低了系统开销。</span><strong><span>通过复用单个进程或线程来处理多个I/O操作，可以避免为每个连接创建一个新的进程或线程所带来的资源消耗</span></strong><span>。此外，I/O复用还使得程序能够更加高效地利用CPU资源，因为它避免了阻塞和轮询的开销。</span></p><p><code>select</code><span>、</span><code>poll</code><span>和</span><code>epoll</code><span>之间的主要区别在于它们的性能和功能。</span><code>select</code><span>是最早的I/O复用技术，但它有一个限制，即它能够监视的文件描述符数量是有限的（通常是1024）。</span><code>poll</code><span>解决了</span><code>select</code><span>的这个限制，允许监视更多的文件描述符，但它仍然</span><strong><span>使用轮询的方式来检查文件描述符的状态</span></strong><span>，这在大量并发连接时可能会导致性能下降。</span><strong><code>epoll</code><span>是Linux特有的机制，它使用了</span><font color="red"><span>基于事件通知的方式</span></font><span>，而不是轮询，从而在大规模并发连接时提供了更高的性能</span></strong><span>。</span></p><p><span>在I/O复用模型中，数据仍然会先被拷贝到操作系统的页缓存中。但是，通过使用</span><code>select</code><span>、</span><code>poll</code><span>或</span><code>epoll</code><span>，程序可以在单个线程中同时等待多个文件描述符的I/O操作完成，从而避免了为每个I/O操作创建一个新线程的开销。当某个文件描述符的I/O操作完成时，相应的回调函数或事件处理函数会被触发，程序可以在这个函数中读取或写入数据，并将其从内核空间拷贝到用户空间。</span></p><p><span>需要注意的是，虽然I/O复用模型可以减少进程或线程的数量，但它并不能完全消除内核和用户空间之间的数据拷贝。在某些情况下，为了进一步提高性能，可以使用直接I/O（DIO）或零拷贝（Zero-Copy）机制来减少或消除这种拷贝。然而，这些机制通常需要在硬件和操作系统层面进行支持，并且可能不适用于所有类型的I/O操作。</span></p><p></font></p></div>
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